книги из ГПНТБ / Сахарников Н.А. Высшая математика учебник
.pdfКлассическое определение вероятности,так же как и геометри ческое определение, неприменимо, если результаты испытания не равновозможны. Например, при бросании неправильной играль ной кости выпадение ее различных граней не равновозможно.
Ниже сформулировано статистическое определение вероят ности. Пусть в данной серии, состоящей из п испытаний, событие А
появилось |
т раз. |
Число |
т называется |
частотой |
события А, |
||||||
а его отношение к числу испытаний, і. е. |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Р*(А) = — > |
|
|
|
|
||
называется |
относительной |
частотой (или |
частостью) события |
||||||||
в данной серии |
испытаний. Очевидно, |
частость есть случайная |
|||||||||
величина, принимающая значения в промежутке О |
Р* И ) |
1. |
|||||||||
Если число |
п мало, то частость |
р*(Д) |
|
|
|
|
|
||||
мало показательна. Повторяя се |
|
|
|
|
|
|
|||||
рии испытаний с малым п, будем |
Р(Л) |
|
|
|
|
|
|||||
получать |
сильно |
отличающиеся |
|
|
|
|
|
||||
друг от друга частости. |
С ростом |
|
|
|
|
|
|
||||
п разброс |
частостей не |
исчезает, |
|
|
|
|
|
|
|||
но уменьшается. |
Это |
указывает |
|
0 |
1 |
|
|
|
|||
на то, что при увеличении п отно- |
|
2 3 4 |
5 6 Номерсерии |
||||||||
рительная |
частота |
(А) обладает |
|
|
|
Рис. 154. |
|
|
|||
свойством |
у с т о й ч и в о с т и |
|
|
|
|
|
|
||||
в смысле уменьшения ее разброса (рис. 154). |
|
в е р о я т |
|||||||||
С т а т и с т и ч е с к о е |
о п р е д е л е н и е |
||||||||||
н о с т и . |
Вероятностью |
события А |
называется |
число, |
вокруг |
||||||
которого колеблется относительная частота р*{А) |
при повторе |
||||||||||
нии длинных серий испытаний. Таким образом, смысл понятия вероятности состоит в том, что она определяет среднюю частость, с которой можно ожидать появления события А при повторении длинных серий испытаний.
Благодаря устойчивости частости и близости ее к вероят
ности р (А), |
величина р^(А) служит приближенной оценкой |
|
вероятности р |
(А), тем более точной, чем больше число п испыта |
|
ний в серии |
р ( А ) ^ р * { А ) . |
|
|
( 3 ) |
|
Пр и м е ч а н и е . Если в данной серии испытаний р% (А) —
—О, то событие А все же может произойти в результате нового испытания. Если (А) — 1, то это не значит, что событие А
достоверно. Здесь речь идет о массовых случайных событиях, в каждом из которых событие А может появиться, но может и не появиться. Вероятность есть характеристика степени объективной возможности появления события при большом числе испытаний. Исход же каждого случайного события остается случайным.
События А и В называются независимыми, если вероятность появления каждого из них не зависит от того, появилось другое событие или нет. Событие В называется зависящим от события А, если вероятность появления события В зависит от того, про изошло событие А или нет.
П р и м е р 1. В урне находятся 7 белых и 3 черных тара. Условие опыта — каждый вынутый шар кладется обратно в урну. Событие А — в результате первого опыта вынут белый шар; событие В — в результате
второго опыта |
вынут |
опять |
белый шар. Имеем |
р (А) = р (В) = |
7/10. |
П р и м е р |
2. В |
урне |
7 белых и 3 черных |
шара. Условие |
опыта — |
вынутые шары обратно в урну не кладутся. События А и В те же, что в прн мере 1. В условиях примера 2 р (А) — 7/10, но р (В) зависит от того, произо шло событие А или нет. Если в результате первого испытания был вынут белый шар, то р (В) = 6/9, если в результате первого испытания был вынут черный шар, то р (В) = 7/9.
Условной вероятностью рА (В) называется вероятность по явления события В при условии, что событие А произошло. В при
мере 2 имеем рА (В) — 6/9, р А (В) = 7/9. |
|
, |
Если события А и В независимые, то |
|
|
РА (В) = Р - (В) = р (В), р в (А) = |
(А) = р {А). |
(8) |
Теорема 1. Вероятность совместного появления двух событий равна произведению вероятности появления одного из них на услов ную вероятность другого, вычисленную в предположении, что первое событие произошло:
р(А и В) = р ( А ) р Л(В). |
(9) |
|
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Пусть п — общее число |
равно-- |
возможных элементарных исходов испытания, образующих пол ную группу, п1 —• число исходов, благоприятствующих событию А (пг s^ п), т — число исходов испытания, в которых наступает событие В в предположении, что событие А уже наступило, т. е.
т— число исходов, благоприятствующих событию (А и В). Вероятность совместного появления событий А и В равна
р(А и |
= |
^ - = р (А)-р а (В). Теорема доказана. |
|
Меняя ролями А и В, получаем р(В и А ) —р (В) ■рв (А). |
Сле |
||
довательно, |
|
Р(А)р а {В) = р (В)р в {А). |
(10) |
|
|
||
П р и м е р |
3. В условиях примера 2 поставим такие вопросы: |
|
|
1) Какова вероятность вынуть первый и второй раз белые шары? По фор |
|||
муле (9) имеем р {А и В) = 7/10-6/9 = 7/15. |
|
||
2) Какова вероятность оба раза вынуть черные шары? По формуле (9), |
|||
примененной к событиям А и В, получим |
|
||
|
P ( Ä и |
В ) = р ( А ) . р - ( В ) = 3/10-2/9 = 1/15. |
|
Теорема умножения вероятностей независимых событий. Веро ятность совместного появления двух независимых событий А и В равна произведению вероятностей этих событий:
|
р(А il |
В) --=р (А) р (В). |
(И) |
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Положив в |
(9) в согласии с (8) |
|
Р а (В) = Р (В), |
получим формулу (11). |
|
|
П р и м е р 4. |
Два стрелка стреляют по цели. Вероятность поражения |
||
цели первым стрелком при одном выстреле р (А ) ----- |
0,8, вторым стрелком — |
||
р (В) = 0,7. Найти вероятность |
поражения цели |
двумя пулями в одном |
|
залпе. По формуле (11) имеем р (А и В) 0,8-0,7 |
= 0,56. |
||
События А г, . . ., А п называются независимыми в совокупности, |
|||
если вероятность появления любого из этих событий не зависит от того, произошли или не произошли какие-либо другие события из этой совокупности.
Теорема |
2. Вероятность |
совместного появления п |
событий |
||
А г, . . ., А„, |
независимых |
в |
совокупности, равна |
произведению |
|
вероятностей этих событий: |
|
|
|
||
Р(Аі и А ... и |
А п)^=р(А1)р(А2) • • • р ( а |
п )- |
(12) |
||
При п = 3 имеем |
|
|
|
|
|
р ( А 1 и А2 и As)--^p(A]) p( A2 и А3)=. р(А,)р(Л„)р(А3).
В общем случае теорема доказывается методом математической
индукции. |
Если события А 1, . . ., А п независимы и рав |
||
С л е д с т в и е . |
|||
новероятны р (А Д = |
. . . = |
р (И„) — р, то из (12) следует |
|
р{ Ах и |
А2 . . . и Ап) = рп. |
(13) |
|
П р и м е р 5. Имеется четыре места. Каждое из четырех мест может быть занято атомом одного вида (событие А), либо атомом другого вида (собы тие В); при этом р (А) = р, р (В) = 1 — р = q.
Вопрос: какова вероятность того, что все четыре места будут заняты атомами первого вида? Ответ: р4.
III.Теорема (о вероятности появления хотя бы одного из п
независимых событий). Пустъ события А lt . . А п независимы в совокупности, но они могут бытъ совместными. Для нахождения величины р (А-у, или А 2, ■■-, или А п) по данным р {Аг), р (А2),
. . р (Ап) обозначим через А к |
событие, противоположное A k. |
Имеем: |
|
1) А к и Ак — противоположные события и поэтому р (Ак) + |
|
+ p ( Ä J = _ 1, |
|
2) А г, А 2, . . А п — события |
независимые в совокупности, |
и по теореме 2 имеем р (А 1 и А 2 . . . и А п) = р (А Др (А 2), . . .
. . .. р( А п),
3) события (Alt или А 2, . . ., или А п) и (Ах и А 2 . . . и А п) противоположны и поэтому сумма их вероятностей равна единице:
р^Д , или Аъ . . ., пли А п)-'г р ( А1 и А2 . . . и Л„)=П.
Следовательно, имеет место формула
р(Лъ или Аг, . . ., или Л„) = 1 —[1 —р (АДІ [ і - р ( А 2)\ . . . [1 - р ( А п)].
(14)
В частности, если р (АД = р (АД = . . , = р (АД = р, то
р ( Аъ или А2, . . ., или ^4„) ^=1 — (1 — р)п- |
(15) |
П р и м е р 6. В условиях примера /, найти вероятность поражения цели хотя бы одной пулей при одиночном залпе. По формуле (14) имеем р (Л, или В) = 1 — (1 — 0,8) (1 — 0,7) = 0,94.
IV. Теорема сложения вероятностей совместных событий.
Вероятность появления хотя бы одного из двух совместных событий равна сумме вероятностей этих событий без вероятности их совме стного появления:
|
р(А, или |
В) = р (А) |
р (В) — р (А |
и В). |
(16) |
||
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
1) Событие |
А |
может произойти |
||||
только при |
появлении одного |
из двух |
несовместных событий |
||||
(А и В) и (А и В). По теореме сложения вероятностей имеем |
|
||||||
|
р(Л) = р(Н |
и В ) + р {А и В). |
|
(17) |
|||
Аналогично находим |
|
|
|
|
|
|
|
|
р(В)-=р(А и В)~- р(А и В). |
(18) |
|||||
2) Для появления события (А или В) имеются только три воз |
|||||||
можности: А |
и В, А и В, А |
и В. Эти три события несовместны |
|||||
и по теореме сложения вероятностей имеем |
|
|
|
||||
р(А, |
или В) |
- р(А и В) -Гр(А и |
В) |
р(.1 и В). |
(19) |
||
3)Складывая (17) и (18), получим
р{А) + р (В) = [р (А и В)А-р(А и В)-\-р(А и 5)1 А р (А и В).
Согласно (19) сумма в квадратных скобках равна р (А , или В), поэтому имеем
р(А, |
или В) г р {А и В) |
р (Л) + р (В). |
(20) |
|||
Отсюда следует равенство (16). Теорема доказана. |
то |
|||||
С л е д с т в и я . |
1. Если |
события |
А и В зависимы, |
|||
р (А и В) = р (А) рА (В) |
и из |
(16) |
следует формула |
|
||
р (А, |
пли В) |
-г. р{А)А- |
р(В)—р{ А) рЛ(В). |
(21) |
||
В условиях примера 1 и. 237 имеем М (X) = 6
Для выяснения вероятностного смысла математического ожи дания предположим, что произведено к испытаний, в которых
дискретная случайная величина X |
приняла |
значения |
x lt . . ., хп |
|||||
соответственно |
т х, . . ., тп раз, |
так что |
т 1 + |
• • ■+ тп — к. |
||||
Сумма всех |
значений |
случайной |
величины |
равна |
х1т 1 + - - - + |
|||
+ хптп, а среднее арифметическое этих значений равно |
||||||||
X |
ТП\Х\ “Г |
• • |
тпхп |
"'1 |
І Г хп = Чі*і- |
|
Yп х т |
|
|
к |
|
к х ѵ |
|
||||
где Ys — частость значения xs случайной величины X |
в к испыта |
|||||||
ниях. Если к достаточно велико, то частость приблизительно равна вероятности ys ^ P ( x s ) — Ps и тогда
X = YА -г •. • + Упхп ^ Р ( хі) хі + ■■■ -г P іхп) хп = М {X).
Следовательно, математическое ожидание дискретной слу чайной величины приблизительно равно среднему арифметиче скому всех ее значений, причем это равенство тем точнее, чем больше число испытаний к. Математическое ожидание есть сред нее значение случайной величины, вокруг которого группи руются более или менее тесно все ее значения. Поэтому матема тическое ожидание случайной величины называют также ее сред ним значением.
Математическое ожидание дискретной случайной величины обладает следующими свойствами.
1°. Математическое ожидание постоянной равно этой по стоянной: М (с) — с.
Действительно, постоянную можно рассматривать как ди скретную случайную величину, принимающую единственное чис ловое значение с с вероятностью, равной р = 1. По формуле (2) имеем М (с) = с-1 = с.
2°. Постоянный множитель можно вынести за знак математи ческого ожидания: М (кХ) = кМ(Х).
Действительно, если X подчинена закону распределения (1), то величина кХ принимает значения кхѵ . . ., кхп с вероятно стями р х, . . ., р п соответственно. Поэтому имеем
М (к Х) = кххрх-I- ... + кхпрп= к {ххрх+ . . . + хпрп) = кМ (X).
3°. Математическое ожидание суммы двух дискретных случай ных величин равно сумме математических ожиданий этих величин.
Действительно, пусть X и Y имеют законы распределения
X |
Х 1 |
х 2 |
Y |
Уі Уг |
р |
Р і |
Р і |
P |
<7і |
Чтобы упростить изложение, мы ограничились лишь двумя возможными значениями каждой из случайных величин. В общем случае доказательство аналогично. Составим перечень возмож ных значений величины X + У (для чего к каждому возмож ному значению х, прибавим каждое возможное значение ук) и их вероятностей рік:
|
|
|
|
Л ' : |
Y |
. г , |
/ / , |
. г , |
у., |
X., '■ / / , X., : |
у., |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
P |
|
P l i |
Р і2 |
|
P ‘2.1 |
|
|
P 22 * |
|
|
|
|
||
X |
Докажем, |
что р гі |
+ |
p l2 = р 1. Событие, состоящее в том, что |
||||||||||||||
примет значение х х (его вероятность равна р х), |
влечет за собой |
|||||||||||||||||
событие, состоящее в том, что X |
|
Y примет |
значение х х -L у 1 |
|||||||||||||||
или х х + |
г/о |
(вероятность |
этого |
события |
по |
теореме |
сложения |
|||||||||||
вероятностей |
равна |
р Х1 + р 12). |
Поэтому |
р 1Х + |
р 12 = |
р ѵ |
Ана |
|||||||||||
логично доказываются |
равенства |
р 1Х + |
р 21 = дх, |
р 21 + |
р 22 = |
|||||||||||||
= |
Р21 |
Р12 |
“Ь 22Р |
= |
|
? 2 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Согласно |
формуле (2) имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
М { Х |
У) - • (.'С, |
//,) Pu |
: О*-! |
?/:-)/>12 |
(Х-2 |
■ Ui) Pi\ |
■ |
|
.'ПИН* =- |
|||||||||
|
|
|
= ÆJPX-і- х2р2 -і- р/А -{-у2д2= М (X) 4- М (Г). |
|
|
|
||||||||||||
|
Две дискретные случайные величины X |
и |
Y |
называются |
не |
|||||||||||||
зависимыми, если независимы события X = х,- |
и |
Y |
= ук |
при |
||||||||||||||
всех і |
и к. |
|
|
|
|
ожидание |
произведения |
двух |
независимых |
|||||||||
|
4°. |
Математическое |
||||||||||||||||
дискретных случайных величин равно произведению их математи ческих ожиданий: М (XY) = М (X) М (Y).
Д о к а з а т е л ь с т в о . Пусть случайные величины X и Y заданы законами распределения (3). Мы опять с целью упрощения вычислений рассматриваем случай п =- 2. Составим все возможные
значения случайной величины X Y |
и найдем их вероятности: |
Z Г Æxj/x хху2 |
х2у х х2у2 |
Р |
Рп |
Рі2 Р2 1 PVL- |
|
|
|
|
По теореме умножения вероятностей независимых событий |
||||||
вероятность того, что X Y примет значение |
Х{ук, равна произ |
|||||
ведению вероятностей таких |
событий: X принимает |
значение х{, |
||||
a Y — значение ук. |
Имеем р (х$к) = р (х() |
р(ук) = pLqk, |
где |
|||
р (х,) есть вероятность случайной величине |
X принять |
значе |
||||
ние xt. Согласно формуле (2) получим |
|
|
|
|
||
М (XY) = x,yxpxq1-f xxy2pxq2 + x2ylP2qx -{- x2y2p2q2«= |
|
|
||||
= (Xjp x+ x2p2) (yxq1+ y2q2) = M ( X ) M (Y). |
|
|
|
|||
Заметим, что свойства 3° и 4° распространяются на любое |
||||||
конечное число случайных величин X х, . . ., X п. |
есть |
количе |
||||
Дисперсия дискретной случайной величины X |
||||||
ственная мера рассеяния X |
около ее среднего |
значения. |
Случай |
|||
